一種耐高溫抗氧化金屬陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及耐高溫抗氧化涂層材料，特別提供了一種耐高溫抗氧化金屬陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法。該復(fù)合薄膜特征在于該涂層由難熔金屬、難熔碳化物和金屬間化合物組成，涂層厚度為10μm～50μm。所述的難熔金屬為鉬、鉭、鋯和鉿中的一種或多種；所述的難熔碳化物組成為碳化硅，以及碳化鉭、碳化鋯和碳化鉿中的一種或多種；所述的金屬間化合物組成為硅化鉬、硅化鉭、硅化鋯、硅化鉿、碳硅化鉭、碳硅化鋯和碳硅化鉿中的一種或多種；所述的涂層的晶體結(jié)構(gòu)由非晶態(tài)和/或多晶態(tài)納米顆粒組成。
【專利說明】一種耐高溫抗氧化金屬陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及耐高溫抗氧化涂層材料，特別提供了一種耐高溫抗氧化金屬陶瓷復(fù)合涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鑰、鈮、鎢和錸等難熔金屬及其合金和碳材料由于熔點高、耐高溫和抗腐蝕強等優(yōu)點，可作為火箭發(fā)動機噴管、導(dǎo)彈巡洋艦渦輪機和宇宙飛行器等耐高溫部件材料。然而，這些難熔材料耐受不了 1800-2000°C高溫氧化而使其特性難以發(fā)揮。難熔金屬需在1800°C以上還能保持較高強度，必須制備致密的高溫抗氧化涂層。應(yīng)用于空間飛行器軌道導(dǎo)入和姿態(tài)控制的液體火箭發(fā)動機一般使用涂有硅化物保護層的鈮合金作燃燒室噴管，這類發(fā)動機的工作溫度不超過1600°C。以碳化硅和二硅化鑰為主的多元多層陶瓷涂層，盡管能使炭/炭復(fù)合材料在靜態(tài)空氣中1680°C和1700°C抗氧化時間分別達到107h和50h，但1600°C至室溫的抗熱震壽命短，陶瓷涂層在多次熱循環(huán)后易開裂。高熔點金屬合金涂層體系在高溫抗氧化方面表現(xiàn)出較大的潛力，如硅-鑰、硅-鉿、硅-鉻合金涂層體系等在1500°C~1700°C空氣中都均能長時間保護基體不受氧化，表現(xiàn)出了很好的高溫抗氧化性能，這些涂層體系有望用于1800°C甚至更高溫環(huán)境下的涂層體系，近年來引起了廣關(guān)注。隨著飛行器使用在極端環(huán)境下，需要在更高的使用溫度環(huán)境下應(yīng)用，設(shè)計出新型耐高溫抗氧化材料具有非常重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的一個技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種耐高溫抗氧化金屬陶瓷復(fù)合涂層，其特征在于該涂層由難熔金屬、難熔碳化物和金屬間化合物組成，涂層厚度為10 μ m~50 μ m。
[0004]所述的難熔金屬為鑰、鉭、鋯和鉿中的一種或多種；
[0005]所述的難熔碳化物組成為碳化硅，以及碳化鉭、碳化鋯和碳化鉿中的一種或多種；
[0006]所述的金屬間化合物組成為硅化鑰、硅化鉭、硅化鋯、硅化鉿、碳硅化鉭、碳硅化鋯和碳娃化鉿中的一種或多種；
[0007]所述的涂層的晶體結(jié)構(gòu)由非晶態(tài)和/或多晶態(tài)納米顆粒組成。
[0008]本發(fā)明要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種耐高溫抗氧化金屬陶瓷復(fù)合涂層制備方法，有一個密閉的沉積室，工件和靶材置于沉積室中并通負(fù)偏壓，沉積室有一個進氣口和一個出氣口，其特征在于以難熔金屬組合件為靶材，高熔點導(dǎo)電材料為工件；沉積工藝參數(shù):沉積室氣壓為20Pa-50Pa，工件電壓-300V~-500V，靶材電壓為-800V~-1200V。所述的進氣口所進的氣體是三氯甲基硅烷和/或二氯甲基硅烷和/或一氯甲基硅烷、氬氣，硅烷氣體流量為10ml/min-100ml/min，進氣口持續(xù)進氣或脈沖式進氣；出氣口持續(xù)抽真空或脈沖式抽真空，當(dāng)進氣口為持續(xù)進氣時，出氣口為持續(xù)排氣；當(dāng)進氣口脈沖進氣時，出氣口脈沖式排氣，沉積過程中排氣量小于或等于進氣口進氣量；所述的高熔點導(dǎo)電材料為石墨，炭/炭，鈮鎢合金，鈦合金，鎳基合金和鐵鋁合金。涂層制備過程包括下述順序的步驟:
[0009](I)工件和靶材置于沉積室內(nèi)，然后沉積室抽真空至極限真空，
[0010](2)打開進氣口氬氣，調(diào)節(jié)沉積室工作氣壓；
[0011](3)工作氣壓穩(wěn)定后，緩慢開通工件電壓，等離子體加熱工件，同時清洗工件表面；
[0012](4)緩慢開通靶材電壓，沉積一段時間，工件表面溫度達到850°C~1200°C，然后再通入硅烷氣體；
[0013](5)沉積l_5h后，先關(guān)閉硅烷氣體，然后再關(guān)閉氬氣，最后關(guān)閉電源。
[0014]應(yīng)用效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
[0015]⑴成本低；
[0016](2)沉積工藝簡單；
[0017](3)沉積速率較快；
[0018](4)復(fù)合涂層具有較好的高溫抗氧化性能。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定。
[0020]實施例
[0021]實施例1
[0022]使用石墨為工件，以高純度的鑰板為靶材，真空沉積室中從進氣口通入三氯甲基硅烷和氬氣，甲烷流量為20ml/min，氬氣流量為50ml/min，真空室內(nèi)工作氣壓30Pa，靶材電壓為-900V，工件電壓為-400V。先通入氬氣，調(diào)整工作氣壓至穩(wěn)定狀態(tài)，接通電源開關(guān)。經(jīng)過加熱和清洗工件表面30min-50min，沉積溫度為1000°C時，通入三氯甲基硅烷氣體，經(jīng)過2h沉積，可獲得大約18 μ m厚的金屬陶瓷復(fù)合涂層。金屬陶瓷復(fù)合涂層經(jīng)過X衍射檢測，復(fù)合薄膜主要由鑰和硅化鑰組成，還有少量的硅化鑰相。涂層由致密的多晶相組成。復(fù)合薄膜經(jīng)過電子能譜儀檢測中鑰、含有鑰、硅、碳和氯元素，其含量分布為60at.%,19at.%,15at.%，6at.%。
[0023]實施例2
[0024]使用炭/炭復(fù)合材料作為工件，以鋯-1Oat.%鉿合金盤為靶材，真空沉積室中從進氣口通入氯甲基硅烷和氬氣甲烷流量為30ml/min，氬氣流量為60ml/min，真空室內(nèi)工作氣壓35Pa，靶材電壓為-950V，工件電壓為-500V。先通入氬氣，調(diào)整工作氣壓至穩(wěn)定狀態(tài)，接通電源開關(guān)。經(jīng)過加熱和清洗工件表面lh，沉積溫度為1100°C時，通入三氯甲基硅烷氣體，經(jīng)過3h沉積，可獲得大約30 μ m厚的金屬陶瓷復(fù)合涂層。金屬陶瓷復(fù)合涂層經(jīng)過X衍射檢測，復(fù)合薄膜主要由鋯、鉿和硅化鑰組成，還有少量的硅化鑰、硅化鋯、硅化鉿、碳化化鋯相。經(jīng)過180(TC高溫氧化Ih后，涂層保持完整，沒有出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。
[0025]上述僅為本發(fā)明的單個【具體實施方式】，但本發(fā)明的設(shè)計構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明進行非實質(zhì)性的改動，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護的范圍的行為。但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何形式的簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍 。
【權(quán)利要求】
1.一種耐高溫抗氧化金屬陶瓷復(fù)合涂層，其特征在于該涂層由難熔金屬、難熔碳化物和金屬間化合物組成，涂層厚度為ΙΟμπι~50μηι。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的涂層，其特征在于所述的難熔金屬為鑰、鉭、鋯和鉿中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的涂層，其特征在于所述的難熔碳化物組成為碳化硅，以及碳化鉭、碳化鋯和碳化鉿中的一種或多種。
4.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的涂層，其特征在于所述的金屬間化合物組成為硅化鑰、硅化鉭、硅化鋯、硅化鉿、碳硅化鉭、碳硅化鋯和碳硅化鉿中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的涂層，其特征在于所述的涂層的晶體結(jié)構(gòu)由非晶態(tài)和/或多晶態(tài)納米顆粒組成。
6.一種耐高溫抗氧化金屬陶瓷復(fù)合涂層的制備方法，有一個密閉的沉積室，工件和靶材置于沉積室中并通負(fù)偏壓，沉積室有一個進氣口和一個出氣口，其特征在于以難熔金屬組合件為靶材，高熔點導(dǎo)電材料為工件，沉積室氣壓為20Pa_50Pa。
7.根據(jù)權(quán)利要求書6所述的制備方法，其特征在于工件電壓-300V~-500V，靶材電壓為-800V ~-1200V。
8.根據(jù)權(quán)利要求書6所述的制備方法，其特征在于進氣口所進的氣體是三氯甲基硅烷和/或二氯甲基硅烷和/或一氯甲基硅烷、IS氣，硅烷氣體流量為10ml/min-100ml/min,進氣口持續(xù)進氣或脈沖式進氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求書6所述的制備方法，其特征在于出氣口持續(xù)抽真空或脈沖式抽真空，當(dāng)進氣口為持續(xù)進氣時，出氣口為持續(xù)排氣；當(dāng)進氣口脈沖進氣時，出氣口脈沖式排氣，沉積過程中排氣量小于或等·于進氣口進氣量。
10.根據(jù)權(quán)利要求書6所述的制備方法，其特征在于所述的高熔點導(dǎo)電材料為石墨，炭/炭，銀鶴合金，鈦合金，鎳基合金和鐵招合金，
11.根據(jù)權(quán)利要求書6所述的制備方法，其特征在于包括下述順序的步驟: (1)工件和靶材置于沉積室內(nèi)，然后沉積室抽真空至極限真空， (2)打開進氣口氬氣，調(diào)節(jié)沉積室工作氣壓； (3)工作氣壓穩(wěn)定后，緩慢開通工件電壓，等離子體加熱工件，同時清洗工件表面； (4)緩慢開通靶材電壓，沉積一段時間，工件表面溫度達到850°C~1200°C，然后再通入硅烷氣體； (5)沉積l_5h后，先關(guān)閉硅烷氣體，然后再關(guān)閉氬氣，最后關(guān)閉電源。
【文檔編號】C23C14/14GK103540936SQ201210246195
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月16日
【發(fā)明者】陳照峰, 吳王平 申請人:蘇州宏久航空防熱材料科技有限公司